JP2015141218A - Optical coupling structure, optical coupler, and optical module - Google Patents

Optical coupling structure, optical coupler, and optical module Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical coupling structure that efficiently converts a mode field between waveguides of different core numbers and can be manufactured at a low cost.SOLUTION: An optical coupling structure 300 includes: a multi-mode interferometer waveguide core 304 having a first input/output port 308 and second input/output ports 310A and 310B; and two taper optical waveguide cores 312A and 312B that are connected to respective second input/output ports and have a width gradually decreasing toward the outside until the lights received from the second input/output ports 310A and 310B are inter-coupled to provide light having one mode field.

Description

本発明は、光結合構造並びにそれを用いた光結合器及び光モジュールに関し、より詳細には、異なるコア数を有する2つの光導波路の間で導波光を互いに変換する光結合構造、並びにそれを用いた光結合器及び光モジュールに関する。   The present invention relates to an optical coupling structure, and an optical coupler and an optical module using the optical coupling structure. More specifically, the present invention relates to an optical coupling structure that converts guided light between two optical waveguides having different numbers of cores. The present invention relates to an optical coupler and an optical module used.

光通信機器に用いられる光半導体装置などにおいては、光ビームのフィールドサイズの変換機能を備えた光結合構造が必要となることがある。例えば、光源から出力される光ビームのフィールドサイズが、光源に結合される光導波路の導波光のフィールドサイズよりも大きいことがある。(導波路が単一モードである場合は、導波光のフィールドサイズはモードフィールドサイズと同義である。)このような場合、光源からの出力光のフィールドサイズを、光導波路の導波光のフィールドサイズへと変換するために、光結合構造が用いられる。特に、光結合構造を導波路端に接続し、外部光学系(例えば、光源や光ファイバ)との光結合に用いる場合、その光結合構造はスポットサイズ変換器(SSC,Spot−Size Converter)と呼ばれる。   In an optical semiconductor device or the like used for an optical communication device, an optical coupling structure having a function of converting a field size of a light beam may be required. For example, the field size of the light beam output from the light source may be larger than the field size of the guided light of the optical waveguide coupled to the light source. (When the waveguide is a single mode, the field size of the guided light is synonymous with the mode field size.) In such a case, the field size of the output light from the light source is the field size of the guided light of the optical waveguide. An optical coupling structure is used to convert to. In particular, when an optical coupling structure is connected to a waveguide end and used for optical coupling with an external optical system (for example, a light source or an optical fiber), the optical coupling structure is a spot size converter (SSC, Spot-Size Converter). be called.

従来、光源との高効率な光結合を安定的に実現するために、モードフィールドサイズの小さな単一コア光導波路を、光源の出射ビームと同程度のモードフィールドサイズを有する複数コア導波路に変換することが提案されている。単一コア導波路のコアのサイズを小さくするだけでも、導波光のフィールドサイズを広げる効果があるが、コア数変換を行った上で複数コア導波路によって導波光のフィールドサイズを広げる構成にすると、単一の導波路でフィールドサイズを広げる場合に比べてフィールドサイズがコアサイズのばらつきに影響されにくくなり、高効率な光結合を安定的に得ることができる。   Conventionally, in order to stably realize high-efficiency optical coupling with a light source, a single-core optical waveguide with a small mode field size is converted to a multi-core waveguide with a mode field size comparable to the output beam of the light source. It has been proposed to do. Just reducing the core size of a single-core waveguide has the effect of expanding the field size of the guided light. However, when the number of cores is converted and the field size of the guided light is expanded by using a multi-core waveguide. Compared with the case where the field size is increased with a single waveguide, the field size is less affected by variations in the core size, and high-efficiency optical coupling can be stably obtained.

特許文献1は、テーパ構造を用いて単一コア光導波路と複数コア光導波路とを接続する光結合構造を開示している。図1はこのような従来の光結合構造100を示す。図1において、光102Aや光102B等のガウシアン形状の図形は、伝搬光のフィールド分布(強度分布)を表し、強度がeの二乗分の1(約13.5%)となる位置の間隔がフィールドサイズである。さて、光結合構造100に入射された光102Aは、先の広がったテーパ部104を介して、より大きなフィールドサイズを有する光102Bへと変換される。光102Bは、先細りの複数のテーパ部(図1では2つのテーパ部106A及び106B)へと分離されて、光102C及び102Dに変換される。光102C及び102Dのそれぞれは、テーパ部106A及び106Bを伝搬しながらそれぞれのコアの外部へと次第に浸み出し、フィールドの裾の重なりが増すことによって、全体として広がったモードフィールドを有する1つの光102Eへと結合される。光102Eはテーパ部106A及び106Bを伝搬しながら更に広がり、より大きなガウシアン形状に近いフィールドを有する光102Fになる。光結合構造100は、このようにして導波光のフィールドサイズを変換する。   Patent Document 1 discloses an optical coupling structure that connects a single-core optical waveguide and a multi-core optical waveguide using a tapered structure. FIG. 1 shows such a conventional optical coupling structure 100. In FIG. 1, Gaussian-shaped figures such as the light 102A and the light 102B represent the field distribution (intensity distribution) of propagating light, and the interval between positions where the intensity is 1 / (equivalent to about 13.5%) of e The field size. Now, the light 102A incident on the optical coupling structure 100 is converted into the light 102B having a larger field size via the taper portion 104 that has spread. The light 102B is separated into a plurality of tapered portions (two tapered portions 106A and 106B in FIG. 1) and converted into light 102C and 102D. Each of the lights 102C and 102D gradually penetrates to the outside of the respective cores while propagating through the tapered portions 106A and 106B, and the overlap of the skirts of the fields is increased, so that one light having a mode field that is spread as a whole is obtained. 102E. The light 102E further spreads while propagating through the tapered portions 106A and 106B, and becomes light 102F having a field close to a larger Gaussian shape. In this way, the optical coupling structure 100 converts the field size of the guided light.

また、特許文献2及び3は、速度型方向性結合器を用いて単一コア光導波路と複数コア光導波路とを接続する光結合構造を開示している。図2はこのような従来の光結合構造200を示す。光結合構造200に入力された光202Aは、速度型方向性結合器204を介して2つのテーパ部206A及び206Bのそれぞれに入力される光202C及び202Dへと分離される。光202C及び202Dはテーパ部206A及び206Bをそれぞれ伝搬しながらコアの外部へと次第に浸み出し、フィールドの裾の重なりが増すことによって、全体として広がったモードフィールドを有する1つの光202Eへと結合される。光202Eはテーパ部206A及び206Bを伝搬しながら更に広がり、より大きなガウシアン形状に近いフィールドを有する光202Fになる。光結合構造200は、このようにして導波光のフィールドサイズを変換する。   Patent Documents 2 and 3 disclose optical coupling structures that connect a single-core optical waveguide and a multi-core optical waveguide using a speed-type directional coupler. FIG. 2 shows such a conventional optical coupling structure 200. Light 202A input to the optical coupling structure 200 is separated into light 202C and 202D input to the two tapered portions 206A and 206B via the velocity-type directional coupler 204, respectively. The light 202C and 202D gradually penetrates out of the core while propagating through the tapered portions 206A and 206B, respectively, and is combined into a single light 202E having an expanded mode field by increasing the overlap of the bottom of the field. Is done. The light 202E further spreads while propagating through the tapered portions 206A and 206B, and becomes light 202F having a field close to a larger Gaussian shape. The optical coupling structure 200 thus converts the field size of the guided light.

国際公開第2005/017588号International Publication No. 2005/017588 再公表特許国際公開第2011/036818号Republished Patent International Publication No. 2011-036818 特開2013−140205号公報JP2013-140205A

しかしながら、従来の光結合構造は、光損失が大きく、製造コストが高いという問題を有する。先ず、図1に示す光結合構造100においては、先太のテーパ部104と分岐した先細りのテーパ部106A及び106Bとの間の光結合の際に、光102Bから光102Cと光102Dへとフィールドの分布が急激に変化するため、大きな光損失が生じる。   However, the conventional optical coupling structure has a problem that the optical loss is large and the manufacturing cost is high. First, in the optical coupling structure 100 shown in FIG. 1, the field from the light 102B to the light 102C and the light 102D is obtained during the optical coupling between the tapered portion 104 and the branched tapered portions 106A and 106B. A large optical loss occurs due to a drastic change in the distribution of light.

また、図2に示す光結合構造200は、速度型方向性結合器204に含まれるテーパの先端の幅が十分に小さくないと、やはり大きな光損失を生じる。具体的な例として、高さが220nmのシリコンをコアとする光導波路の場合、光の真空中の波長が1.5μmであれば、そのテーパの先端幅を100nm以下にしないと、十分な低損失化を行えない。そのため、製造用に100nm幅のパターニングが可能なリソグラフィ装置を使用しようとすると、一般にパターニング効率が悪いとされる電子線描画装置を用いるか、あるいは効率は良くてもより高価なArF液浸スキャナなどの使用を強いられるのが現状である。その結果、従来技術を用いる限り、いずれのリソグラフィ装置を用いたとしても、製造コストの増大を避けられない。   In the optical coupling structure 200 shown in FIG. 2, if the width of the tip of the taper included in the velocity type directional coupler 204 is not sufficiently small, a large optical loss is caused. As a specific example, in the case of an optical waveguide having a silicon core with a height of 220 nm, if the wavelength of light in vacuum is 1.5 μm, the tip width of the taper must be 100 nm or less. Loss cannot be made. Therefore, if an attempt is made to use a lithography apparatus capable of patterning with a width of 100 nm for manufacturing, an electron beam lithography apparatus generally considered to have poor patterning efficiency is used, or an ArF immersion scanner that is more efficient but more expensive Is currently forced to use. As a result, as long as the conventional technique is used, an increase in manufacturing cost is inevitable regardless of which lithography apparatus is used.

尚、光結合のために光結合構造を使用する場合、光102Fのフィールドサイズは、光結合する先のフィールドサイズに合わせて決定される。例えば、モードフィールドサイズを3μmにしたければ、2コア導波路の先端幅を130μmとし、コアの間隔を1μmにすればよい。
このように、従来技術によれば、十分に高い光結合効率を発揮する、コア数変換型の光結合構造を、低コストで実現することができないという問題がある。したがって、導波光のフィールドサイズを高効率で変換でき、かつ低コストで製造できるコア数変換型光結合構造を提供することが、課題である。
When the optical coupling structure is used for optical coupling, the field size of the light 102F is determined according to the field size of the optical coupling destination. For example, if the mode field size is 3 μm, the tip width of the two-core waveguide is 130 μm, and the core interval is 1 μm.
Thus, according to the prior art, there is a problem that a core number conversion type optical coupling structure that exhibits sufficiently high optical coupling efficiency cannot be realized at low cost. Accordingly, it is an object to provide a core number conversion type optical coupling structure that can convert the field size of guided light with high efficiency and can be manufactured at low cost.

また、コア数変換型の光結合構造は、スポットサイズ変換器としての用途以外にも、コア数の異なる複数コア導波路間で高効率な光結合を行うために用いられることがある。複数コア導波路自体は、例えば、コア間のクラッドに分布する光を効率的にクラッドの材料に作用させるなどの目的で用いられる。従来は1つのコアの導波路と複数のコアの導波路の間の光結合のみが想定されていたため、複数コア導波路と異なるコア数の別の複数コア導波路との高効率光結合のための実用的な光結合構造が無かった。したがって、異なるコア数の複数コア導波路の間で導波光を高効率に変換できる光結合器構造を提供することも、もう一つの課題となっている。   In addition to the use as a spot size converter, the core number conversion type optical coupling structure may be used for highly efficient optical coupling between a plurality of core waveguides having different core numbers. The multi-core waveguide itself is used, for example, for the purpose of causing light distributed in the clad between the cores to efficiently act on the clad material. Conventionally, only optical coupling between a single-core waveguide and a plurality of core waveguides has been assumed, so that high-efficiency optical coupling between a multi-core waveguide and another multi-core waveguide having a different number of cores is possible. There was no practical optical coupling structure. Accordingly, it is another problem to provide an optical coupler structure that can convert guided light between a plurality of core waveguides having different numbers of cores with high efficiency.

本発明の実施例において、光結合構造やコア数の異なる導波路を光結合するためなどに用いるコア数変換型の光結合構造は、M個(Mは1以上の整数)のコアを備えるMコア導波路とN個(NはMより大きい整数)のコアを備えるNコア導波路を備え、前記Nコア導波路のN個のコアのそれぞれの横幅の内の最大値は、前記Mコア導波路のM個のコアのそれぞれの横幅の内の最小値のN分のM倍以下であり、前記Mコア導波路とNコア導波路との間には少なくともM個とN個の入出力ポートを有する多モード干渉計導波路コアを備え、前記Mコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのM個の入出力ポートに接続され、前記Nコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのN個の入出力ポートに接続され、前記Nコア導波路のコアと、それらのコアが接続される前記多モード干渉計導波路コアのそれぞれの入出力ポートとの間に前記Nコア導波路に向かって幅が漸減するテーパ導波路コアを有し、前記テーパ導波路コアのそれぞれの中心軸の間隔は、隣り合うもの同士の間で、一定であるか、または多モード干渉計導波路から離れるにつれて漸増あるいは漸減する。   In an embodiment of the present invention, the core number conversion type optical coupling structure used for optical coupling of optical coupling structures or waveguides having different numbers of cores has M cores (M is an integer of 1 or more). An N-core waveguide having a core waveguide and N cores (N is an integer greater than M) is provided, and the maximum value of the lateral widths of the N cores of the N-core waveguide is the M-core waveguide. Less than M times N times the minimum value of the width of each of the M cores of the waveguide, and at least M and N input / output ports between the M core waveguide and the N core waveguide A multi-mode interferometer waveguide core, each core of the M-core waveguide is connected to M input / output ports of the multi-mode interferometer waveguide core, and each core of the N-core waveguide Are connected to the N input / output ports of the multimode interferometer waveguide core. Tapered waveguide core whose width gradually decreases toward the N-core waveguide between the core of the N-core waveguide and each input / output port of the multimode interferometer waveguide core to which the cores are connected The distance between the central axes of the tapered waveguide cores is constant between adjacent ones, or gradually increases or decreases as the distance from the multimode interferometer waveguide increases.

実施例において、上記多モード干渉計導波路コアの導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有する。
実施例において、Mは1であってもよく、その場合、Nは2であってもよい。
In the embodiment, the multi-mode interferometer waveguide core has a line-symmetric structure with respect to the central axis in the waveguide direction.
In an embodiment, M may be 1, in which case N may be 2.

実施例において、Nコア導波路のN個のそれぞれのコアの横幅は全て、N個のコアの任意の2つの間隔よりも小さい。
本発明の実施例による光結合器は、上記のような光結合構造を含む。
In an embodiment, the width of each of the N cores of the N core waveguide is all less than the spacing between any two of the N cores.
An optical coupler according to an embodiment of the present invention includes an optical coupling structure as described above.

実施例において、光結合器のMコア導波路は端面を備えてもよい。その場合、Mコア導波路の長さがゼロでもよい。
実施例において、Nコア導波路が端面を備えてもよい。その場合、Nコア導波路の長さがゼロでもよい。
In an embodiment, the M core waveguide of the optical coupler may have an end face. In that case, the length of the M core waveguide may be zero.
In an embodiment, the N core waveguide may have an end face. In that case, the length of the N-core waveguide may be zero.

本発明の実施例による光モジュールは、上記のような光結合器と光源とを備え、光結合器の端面に光源が光結合されてもよい。   An optical module according to an embodiment of the present invention may include the optical coupler and the light source as described above, and the light source may be optically coupled to the end face of the optical coupler.

従来技術の光結合構造の概略図である。It is the schematic of the optical coupling structure of a prior art. 従来技術の光結合構造の概略図である。It is the schematic of the optical coupling structure of a prior art. 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。1 is a schematic view of an optical coupling structure according to an embodiment of the present invention. 図3の光結合構造の動作を示す。The operation | movement of the optical coupling structure of FIG. 3 is shown. 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。1 is a schematic view of an optical coupling structure according to an embodiment of the present invention. 図5の光結合構造の動作を示す。The operation | movement of the optical coupling structure of FIG. 5 is shown. 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。1 is a schematic view of an optical coupling structure according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。1 is a schematic view of an optical coupling structure according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。1 is a schematic view of an optical coupling structure according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例による光モジュールの概略的な平面図である。1 is a schematic plan view of an optical module according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例による光モジュールの概略的な平面図である。1 is a schematic plan view of an optical module according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施例を、図面を参照して以下に説明する。図3は、本発明の実施例による光結合構造300を概略的に示す。光結合構造300は、1つのコアを備える単一モード導波路(1コア導波路)から入力される光を2つのコアを備える単一モード導波路(2コア導波路)のモードフィールドを有する光へと変換して出力する。通常、1コア導波路のモードフィールドよりも2コア導波路のモードフィールドの方が大きいため、この効果を利用すれば、光結合構造300に端面を備えることによって、外部光学系との光結合を行うためのスポットサイズ変換器として用いることもできる。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 schematically illustrates an optical coupling structure 300 according to an embodiment of the present invention. In the optical coupling structure 300, light having a mode field of a single-mode waveguide (two-core waveguide) including two cores is input from a single-mode waveguide (one-core waveguide) including one core. Convert to and output. Usually, since the mode field of the two-core waveguide is larger than the mode field of the one-core waveguide, if this effect is used, the optical coupling with the external optical system can be achieved by providing the optical coupling structure 300 with an end face. It can also be used as a spot size converter for performing.

光結合構造300は、M個(Mは1以上の整数、図3においてはM=1)の第1の入出力ポート308とN個(NはMより大きい整数、図3においてはN=2)の第2の入出力ポート310A及び310B、を有する多モード干渉計導波路コア304を備える。多モード干渉計導波路コア304において、第1の入出力ポート308が入力側である場合には第2の入出力ポート310A及び310Bが出力側であり、第1の入出力ポート308が出力側である場合には第2の入出力ポート310A及び310Bが入力側である。   The optical coupling structure 300 includes M (M is an integer of 1 or more, M = 1 in FIG. 3) first input / output ports 308 and N (N is an integer greater than M, N = 2 in FIG. 3). ) Second input / output ports 310A and 310B. In the multimode interferometer waveguide core 304, when the first input / output port 308 is on the input side, the second input / output ports 310A and 310B are on the output side, and the first input / output port 308 is on the output side. In this case, the second input / output ports 310A and 310B are on the input side.

光結合構造300は、さらに、第2の入出力ポート310A及び310Bに各々が接続されるテーパ光導波路312A及び312Bを備える。図3に示すように、テーパ光導波路312A及び312Bは、多モード干渉計導波路コア304の外部に向かって(すなわち、多モード干渉計導波路コア304から遠ざかる方向に沿って)幅が漸減するように構成される。   The optical coupling structure 300 further includes tapered optical waveguides 312A and 312B that are respectively connected to the second input / output ports 310A and 310B. As shown in FIG. 3, the tapered optical waveguides 312A and 312B gradually decrease in width toward the outside of the multimode interferometer waveguide core 304 (that is, along the direction away from the multimode interferometer waveguide core 304). Configured as follows.

図3に示すように、多モード干渉計導波路コアの第1の入出力ポート308には、M個のコアを備えるMコア導波路(M=1より、1コア導波路)のコア314が接続されてもよい。また、テーパ導波路コアの312A及び312Bの細い方の端部には、N個のコアを備えるNコア導波路316(N=2より、2コア導波路)のコア316A及びコア316Bのそれぞれが接続されてもよい。   As shown in FIG. 3, the first input / output port 308 of the multimode interferometer waveguide core includes an M core waveguide 314 having M cores (M = 1, one core waveguide). It may be connected. Further, at the narrow ends of the tapered waveguide cores 312A and 312B, the cores 316A and 316B of the N-core waveguide 316 (N = 2, two-core waveguide) having N cores are respectively provided. It may be connected.

2コア導波路を含めて、ここで言う複数コア導波路は、近接した複数のコアを含む単一モード導波路のことであり、平行する全てのコアを導波光の電磁界が同じ位相で伝搬する導波モードのみを有する。ここで、単一モード導波路と言うとき、TE偏波又はTM偏波の少なくともいずれか一方の偏波に関して単一モードである導波路のことを指す。このような複数コア導波路に似て非なる導波路構造として、単独の導波路のコアを単に並列に配置しただけの構造があるが、その構造の場合には、各コアを伝搬する光の位相は必ずしも揃っておらず、互いに独立して変化することもある。複数コア導波路と普通の単一コア導波路の単純な並列配置との構造状の違いは、定性的に言うと、前者の導波路に含まれる全てのコアの幅や高さが、後者の並列導波路のどのコアに比べても各段に小さいことである。この条件を十分に満たすことによって、単一の導波モードしか存在できないようにすることができる。   A multi-core waveguide, including a two-core waveguide, is a single-mode waveguide that includes a plurality of adjacent cores. The electromagnetic field of guided light propagates through all the parallel cores in the same phase. It has only a guided mode. Here, a single mode waveguide refers to a waveguide that is single mode with respect to at least one of TE polarization and TM polarization. As a waveguide structure similar to such a multi-core waveguide, there is a structure in which the cores of a single waveguide are simply arranged in parallel, but in this case, the light propagating through each core The phases are not necessarily aligned and may change independently of each other. Qualitatively speaking, the difference in structure between a multi-core waveguide and a simple parallel arrangement of ordinary single-core waveguides is that the width and height of all cores contained in the former waveguide are It is smaller in each stage than any core of the parallel waveguide. By satisfying this condition sufficiently, only a single guided mode can exist.

Mコア導波路とそれよりもコア数の多いNコア導波路が共に単一モード導波路であるとき、Mコア導波路の個々のコアの幅と、Nコア導波路の個々のコアの幅は略反比例する。これは、単一モードが維持されるコアの総断面積の最大値が略一定のためである。最もコア幅の比が大きいのは1コア導波路と2コア導波路の場合で、2コア導波路の個々のコアの幅は、最大でも、1コア導波路のコアの幅の略半分である。従って、定量的には、Mコア導波路が単一モード導波路であることが分かっているとき、Nコア導波路のN個のコアのそれぞれの幅の内の最大値が、Mコア導波路のM個のコアのそれぞれの幅の内の最小値のN分のM倍以下となるようにNコア導波路の幅を設計すると、Nコア導波路も単一モード導波路とすることができる。   When the M core waveguide and the N core waveguide having a larger number of cores are both single mode waveguides, the width of each core of the M core waveguide and the width of each core of the N core waveguide are It is approximately inversely proportional. This is because the maximum value of the total cross-sectional area of the core in which the single mode is maintained is substantially constant. The ratio of the core widths is the largest in the case of the one-core waveguide and the two-core waveguide. The width of each core of the two-core waveguide is at most about half the width of the core of the one-core waveguide. . Therefore, quantitatively, when it is known that the M-core waveguide is a single-mode waveguide, the maximum value among the widths of the N cores of the N-core waveguide is the M-core waveguide. If the width of the N-core waveguide is designed to be not more than M times N of the minimum value of the width of each of the M cores, the N-core waveguide can also be a single-mode waveguide. .

光結合構造300は、多モード干渉計導波路コア304の導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有するように構成されてもよい。
テーパ光導波路312A及び312Bの中心軸同士の間の間隔は、第2の入出力ポート310A及び310Bとコア316A及び316Bとの間において一定であってもよいし、又は、コア316A及び316Bに近づくにつれて漸増または漸減してもよい。
The optical coupling structure 300 may be configured to have a line-symmetric structure with respect to the central axis of the multimode interferometer waveguide core 304 in the waveguide direction.
The distance between the central axes of the tapered optical waveguides 312A and 312B may be constant between the second input / output ports 310A and 310B and the cores 316A and 316B, or approaches the cores 316A and 316B. It may increase or decrease gradually.

第1の入出力ポート308に接続される光導波路コア314に沿って導波される光のフィールドサイズは、複数コア導波路316のコア316A及び316Bに沿って導波される光のフィールドサイズとは異なる。したがって、光結合構造300は、異なるコア数を含む複数コア導波路間の高効率な光結合を行うと同時に、導波光のフィールドサイズを変換する効果を有する。   The field size of light guided along the optical waveguide core 314 connected to the first input / output port 308 is equal to the field size of light guided along the cores 316A and 316B of the multi-core waveguide 316. Is different. Therefore, the optical coupling structure 300 has an effect of converting the field size of the guided light at the same time as performing highly efficient optical coupling between a plurality of core waveguides including different numbers of cores.

図4は、図3の光結合構造300の動作を示す。導波路コア314に沿って伝搬する光302Aは第1の入出力ポート308において多モード干渉計導波路コア304に入力される。多モード干渉計導波路コア304は、入力された光302Bを光302C及び302Dへと分離する。光302C及び302Dは、それぞれ、第2の入出力ポート310A及び310Bを介して、テーパ光導波路コア312A及び312Bへ出力される。テーパ光導波路コア312A及び312Bは、多モード干渉計導波路コア304の外側に向かって幅が漸減するように構成される。このため、光302C及び302Dは、テーパ光導波路コア312A及び312Bに沿って伝搬するにつれて導波路コアから浸み出し、302Eに示すように、これらの光のモードフィールドは裾が重なり、光学的に結合する。光302Eはテーパ光導波路コア312A及び312Bに沿ってさらに伝搬し、モードフィールドの重なりが増して(すなわち、結合が強まって)、大きく広がった1つのモードフィールドを有する光302Fへと完全に結合される(すなわち、単一モードとなる)。この光302Fは、テーパ光導波路コア312A及び312Bにそれぞれ接続される複数コア導波路316のコア316A及び316Bに沿って、この広がったモードフィールドを保ったまま伝搬する。このようにして、光結合構造300は、コア数の異なる複数コア導波路間の光結合を行う過程で、モードフィールドの小さな光302Aをモードフィールドの大きな光302Fへと変換することができる。   FIG. 4 illustrates the operation of the optical coupling structure 300 of FIG. Light 302 A propagating along the waveguide core 314 is input to the multimode interferometer waveguide core 304 at the first input / output port 308. The multimode interferometer waveguide core 304 separates the input light 302B into light 302C and 302D. The lights 302C and 302D are output to the tapered optical waveguide cores 312A and 312B via the second input / output ports 310A and 310B, respectively. The tapered optical waveguide cores 312A and 312B are configured such that the width gradually decreases toward the outside of the multimode interferometer waveguide core 304. Thus, the lights 302C and 302D ooze out of the waveguide core as they propagate along the tapered optical waveguide cores 312A and 312B, and the mode fields of these lights overlap as shown in 302E, and optically Join. The light 302E propagates further along the tapered optical waveguide cores 312A and 312B, and the mode field overlap is increased (ie, the coupling is increased), so that the light 302E is completely coupled into the light 302F having one mode field that is greatly expanded. (Ie, single mode). The light 302F propagates along the cores 316A and 316B of the multi-core waveguide 316 connected to the tapered optical waveguide cores 312A and 312B, respectively, while maintaining the expanded mode field. In this way, the optical coupling structure 300 can convert the light 302A having a small mode field into the light 302F having a large mode field in the process of performing optical coupling between a plurality of core waveguides having different core numbers.

ここでは、コア314を備える単一コア導波路から入力された光がコア316A及び316Bを備える複数光導波路316に出力される場合の動作を説明した。しかし、当業者であれば、光結合構造300は、光導波路コア316A及び316Bを備える複数コア導波路316から入力された光が光導波路コア314を備える単一コア導波路へと出力されるような、逆向きの動作をすることもできることを理解するであろう。この場合には、光導波路コア316A及び316Bに沿って伝搬してくる大きなモードフィールドを有する光が、テーパ光導波路コア312A及び312Bを介して独立した2つの光に分離され、それぞれ入出力ポート310A及び310Bを介して、多モード干渉計導波路コア304に入力される。   Here, the operation in the case where the light input from the single core waveguide including the core 314 is output to the plurality of optical waveguides 316 including the cores 316A and 316B has been described. However, for those skilled in the art, the optical coupling structure 300 allows the light input from the multi-core waveguide 316 including the optical waveguide cores 316A and 316B to be output to the single core waveguide including the optical waveguide core 314. It will be understood that the reverse operation is also possible. In this case, the light having a large mode field propagating along the optical waveguide cores 316A and 316B is separated into two independent lights via the tapered optical waveguide cores 312A and 312B, respectively. And 310B to the multimode interferometer waveguide core 304.

導波路コア314の側から光を入力する場合に戻ると、光結合構造300は、多モード干渉計導波路コア304の使用により、光302Bを、コア312A及び312Bのテーパ導波路に入力される前に、それらのテーパ導波路のフィールド分布に合わせて分離する。そのため、多モード干渉計導波路コア304とテーパ導波路コア312A及び312Bとの間でモードフィールドのミスマッチが生じず、図1に示すような従来の光結合構造と比較して、高い光結合効率を実現する。   Returning to inputting light from the waveguide core 314 side, the optical coupling structure 300 inputs the light 302B into the tapered waveguides of the cores 312A and 312B by using the multimode interferometer waveguide core 304. Before separation, they are separated in accordance with the field distribution of these tapered waveguides. Therefore, there is no mode field mismatch between the multimode interferometer waveguide core 304 and the tapered waveguide cores 312A and 312B, and the optical coupling efficiency is higher than that of the conventional optical coupling structure as shown in FIG. To realize.

また、光結合構造300は、その構造に含まれる最小寸法が光導波路コア316A及び316Bの幅(テーパ光導波路コア312A及び312Bの先端の幅)であるので、例えば先に例示した光結合構造の用途であれば、130nmが解像できればよい。図2に示すような従来の光結合構造の場合は、速度型方向性結合器のテーパ先端の100nmを解像するために、ArF液浸スキャナが必要であったが、光結合構造300の場合は、それよりも大幅に安価なArFドライスキャナでパターニングが可能なのである。このように、光結合構造300は、従来技術のように、その構造を解像するためだけにより高価な露光装置の使用を強いられるといった無駄が無い。   In addition, since the minimum dimension included in the optical coupling structure 300 is the width of the optical waveguide cores 316A and 316B (the width of the tips of the tapered optical waveguide cores 312A and 312B), for example, the optical coupling structure illustrated above is used. If it is a use, 130 nm should just be resolved. In the case of the conventional optical coupling structure as shown in FIG. 2, an ArF immersion scanner is necessary to resolve 100 nm of the tapered tip of the velocity type directional coupler. Can be patterned with an ArF dry scanner that is significantly less expensive than that. As described above, the optical coupling structure 300 is not wasted as it is forced to use an expensive exposure apparatus only for resolving the structure as in the prior art.

さらに、多モード干渉計導波路コア304は速度型方向性結合器などと比較して、短くしても光ビームの分岐機能が低下しにくく、そのため、より短くできる。速度型方向性結合器の場合は、短くしようとすると、速度型方向性結合器の構成要素である各テーパの間のギャップを狭くして、テーパ間の光の移動を速めなければならない。しかし、上述したように、製造コストの観点から利用できるリソグラフィ装置の解像度には制限があるため、ギャップを狭めるにしても自ずと限界がある。一方、多モード干渉計導波路コア304の場合は、そのようなギャップを構造中に含まないため、リソグラフィの限界によって短くできないことは無い。従来の光結合構造において光を効率よく結合するためには、例えば、80μm程度の長さの速度型方向性結合器を用いる必要があった。これに対して、本実施例の光結合構造300において、多モード干渉計導波路コア304は、同じ光分岐特性を得るために、例えば、5μm程度の長さを有するように構成することができる。このため、本実施例の光結合構造300は、従来の光結合構造と比較してサイズを小さくできる。したがって、本実施例の光結合構造300は、従来の光結合構造よりも、より高い集積度の光モジュールに組み込むことができる。   Further, the multimode interferometer waveguide core 304 is less likely to deteriorate the branching function of the light beam even if it is shortened as compared with a velocity type directional coupler, and therefore can be made shorter. In the case of a speed-type directional coupler, if an attempt is made to shorten the speed-type directional coupler, the gap between each taper that is a component of the speed-type directional coupler must be narrowed to speed up the movement of light between the tapers. However, as described above, there is a limit to the resolution of the lithographic apparatus that can be used from the viewpoint of manufacturing cost, so there is a limit even if the gap is narrowed. On the other hand, in the case of the multimode interferometer waveguide core 304, since such a gap is not included in the structure, it cannot be shortened due to the limitation of lithography. In order to efficiently couple light in the conventional optical coupling structure, for example, it is necessary to use a speed type directional coupler having a length of about 80 μm. In contrast, in the optical coupling structure 300 of this embodiment, the multimode interferometer waveguide core 304 can be configured to have a length of, for example, about 5 μm in order to obtain the same optical branching characteristics. . For this reason, the optical coupling structure 300 of the present embodiment can be reduced in size as compared with the conventional optical coupling structure. Therefore, the optical coupling structure 300 of this embodiment can be incorporated in an optical module having a higher degree of integration than the conventional optical coupling structure.

さて、図4に示した光結合構造300において、光導波路コア314に沿って伝搬してくる導波光のフィールド302Aの殆どが光導波路コア314の中に閉じ込められていれば、光導波路コア314と多モード干渉計導波路コア304の接続箇所での反射損失や散乱損失は無視できる程度に小さい。このような状況は、光導波路コア314を構成する媒質中での光の波長に比べて、光導波路コア314の横幅が十分に大きいときに生じる。   In the optical coupling structure 300 shown in FIG. 4, if most of the guided light field 302A propagating along the optical waveguide core 314 is confined in the optical waveguide core 314, the optical waveguide core 314 and The reflection loss and scattering loss at the connection point of the multimode interferometer waveguide core 304 are small enough to be ignored. Such a situation occurs when the width of the optical waveguide core 314 is sufficiently larger than the wavelength of light in the medium constituting the optical waveguide core 314.

しかし逆に、光導波路コア314の横幅が、導波路コア314を構成する媒質中での光の波長と同程度か、或いは小さければ、光導波路コア314からの導波光302Aのフィールドの浸み出しが大きくなり、光導波路コア314と多モード干渉計導波路コア304の接続箇所での反射損失や散乱損失は、無視できないほど大きくなる。その場合は、光導波路コア314と多モード干渉計導波路コア304の間にテーパ導波路を備えればよい。そのような光結合構造について、次に説明する。   On the other hand, if the width of the optical waveguide core 314 is the same as or smaller than the wavelength of light in the medium constituting the waveguide core 314, the field of the guided light 302A from the optical waveguide core 314 oozes out. The reflection loss and the scattering loss at the connection point between the optical waveguide core 314 and the multimode interferometer waveguide core 304 become so large that they cannot be ignored. In that case, a tapered waveguide may be provided between the optical waveguide core 314 and the multimode interferometer waveguide core 304. Such an optical coupling structure will be described next.

図5は、本発明の実施例による光結合構造500を概略的に示す。光結合構造500は、異なるコア数の複数コア導波路の間で、導波光を変換する。光結合構造500は、M個(Mは1以上の整数、図5においてはM=1)の第1の入出力ポート508並びにN個(NはMより大きい整数、図5においてはN=2)の第2の入出力ポート510A及び510Bを有する多モード干渉計導波路コア504を備える。多モード干渉計導波路コア504において、第1の入出力ポート508が入力として機能する場合には第2の入出力ポート510A及び510Bが出力として機能し、第1の入出力ポート508が出力として機能する場合には第2の入出力ポート510A及び510Bが入力として機能する。   FIG. 5 schematically illustrates an optical coupling structure 500 according to an embodiment of the present invention. The optical coupling structure 500 converts guided light between multi-core waveguides having different numbers of cores. The optical coupling structure 500 includes M (M is an integer of 1 or more, M = 1 in FIG. 5) first input / output ports 508 and N (N is an integer greater than M, N = 2 in FIG. 5). ) Multi-mode interferometer waveguide core 504 having second input / output ports 510A and 510B. In the multimode interferometer waveguide core 504, when the first input / output port 508 functions as an input, the second input / output ports 510A and 510B function as an output, and the first input / output port 508 serves as an output. When functioning, the second input / output ports 510A and 510B function as inputs.

光結合構造500は、さらに、第1の入出力ポート508に接続されるテーパ光導波路コア518並びに第2の入出力ポート510A及び510Bに各々が接続されるテーパ光導波路コア512A及び512Bを備える。図5に示すように、テーパ光導波路コア512A、512B及び518は、多モード干渉計導波路コア504の外側に向かって幅が漸減するように構成される。図5において、光結合構造500は、テーパ光導波路コア518に接続される一定の幅を有する光導波路コア514を有してもよい。また、光結合構造500は、テーパ光導波路コア512A及び512Bにそれぞれ接続される一定の幅を有する光導波路コア516A及び516Bを含む複数コア導波路516を有してもよい。光導波路コア514に沿って導波される光のフィールドサイズは、光導波路コア516A及び516Bの組み合わせによる2コア導波路516に沿って導波される光のフィールドサイズとは異なる。したがって、光結合構造500は、導波光のフィールドサイズを変換することができる。   The optical coupling structure 500 further includes a tapered optical waveguide core 518 connected to the first input / output port 508 and tapered optical waveguide cores 512A and 512B respectively connected to the second input / output ports 510A and 510B. As shown in FIG. 5, the tapered optical waveguide cores 512 </ b> A, 512 </ b> B, and 518 are configured so that the width gradually decreases toward the outside of the multimode interferometer waveguide core 504. In FIG. 5, the optical coupling structure 500 may include an optical waveguide core 514 having a certain width connected to the tapered optical waveguide core 518. The optical coupling structure 500 may also include a multi-core waveguide 516 including optical waveguide cores 516A and 516B having a certain width connected to the tapered optical waveguide cores 512A and 512B, respectively. The field size of light guided along the optical waveguide core 514 is different from the field size of light guided along the two-core waveguide 516 by the combination of the optical waveguide cores 516A and 516B. Therefore, the optical coupling structure 500 can convert the field size of the guided light.

図6は、図5の光結合構造500の動作を示す。光導波路コア514に沿って伝搬する光502Aはテーパ光導波路コア518へ入力される。光導波路コア514の幅が小さいために、光502Aのフィールドは光導波路コア514の外側への浸み出しが大きい。テーパ光導波路コア518は、多モード干渉計導波路コア504に向かって幅が漸増するように構成される。このため、光502Aの浸み出していたフィールドは、テーパ光導波路コア518に沿って伝搬するにつれて、テーパ光導波路コア518の内部に吸収され、殆どのフィールドがコア内に存在する光502Bへと変換される。この光502Bは、第1の入出力ポート508において多モード干渉計導波路コア504に入力される。光502Bのコア518の外への浸み出しは無視できる程度に小さいため、テーパ導波路コア518と多モード干渉計導波路コア504の接続箇所508において生じる反射損失や散乱損失も無視できる程度に小さい。多モード干渉計導波路コア504は、入力された光502Bを、第2の入出力ポート510A及び510Bにそれぞれ結合される光502C及び502Dへと分離する。光502C及び502Dは、それぞれ、第2の入出力ポート510A及び510Bを介して、テーパ光導波路コア512A及び512Bへ出力される。テーパ光導波路コア512A及び512Bは、多モード干渉計導波路コア504の外側に向かって幅が漸減するように構成される。このため、光502C及び502Dは、テーパ光導波路512A及び512Bを伝搬するにつれて光導波路から次第に浸み出し、502Eに示すように、これらの光のモードフィールドの裾は重なる。光502Eはテーパ光導波路コア512A及び512Bに沿ってさらに伝搬し、大きく広がった1つのモードフィールドを有する光502Fへと結合される。この光502Fは、テーパ光導波路コア512A及び512Bにそれぞれ接続される光導波路コア516A及び516Bを含む複数コア導波路516を介して、この広がったフィールドを保ったまま伝搬する。このようにして、光結合構造500は、コア数の異なる複数コア導波路間の光結合を行う過程で、モードフィールドの小さな光502Aをモードフィールドの大きな光502Fへと変換することができる。   FIG. 6 illustrates the operation of the optical coupling structure 500 of FIG. Light 502A propagating along the optical waveguide core 514 is input to the tapered optical waveguide core 518. Since the width of the optical waveguide core 514 is small, the field of the light 502 </ b> A oozes outside the optical waveguide core 514. The tapered optical waveguide core 518 is configured to gradually increase in width toward the multimode interferometer waveguide core 504. For this reason, the field in which the light 502A has oozed out is absorbed into the tapered optical waveguide core 518 as it propagates along the tapered optical waveguide core 518, and most of the field enters the light 502B existing in the core. Converted. This light 502 B is input to the multimode interferometer waveguide core 504 at the first input / output port 508. Since the penetration of the light 502B to the outside of the core 518 is negligibly small, the reflection loss and the scattering loss generated at the connection point 508 between the tapered waveguide core 518 and the multimode interferometer waveguide core 504 are negligible. small. Multimode interferometer waveguide core 504 separates input light 502B into light 502C and 502D that are coupled to second input / output ports 510A and 510B, respectively. Lights 502C and 502D are output to tapered optical waveguide cores 512A and 512B via second input / output ports 510A and 510B, respectively. The tapered optical waveguide cores 512 </ b> A and 512 </ b> B are configured such that the width gradually decreases toward the outside of the multimode interferometer waveguide core 504. Therefore, the lights 502C and 502D gradually ooze out of the optical waveguides as they propagate through the tapered optical waveguides 512A and 512B, and the bottoms of the mode fields of these lights overlap as shown at 502E. The light 502E propagates further along the tapered optical waveguide cores 512A and 512B and is coupled into the light 502F having one mode field that is greatly expanded. The light 502F propagates while maintaining this extended field via the multi-core waveguide 516 including the optical waveguide cores 516A and 516B connected to the tapered optical waveguide cores 512A and 512B, respectively. In this way, the optical coupling structure 500 can convert light 502A having a small mode field into light 502F having a large mode field in the process of performing optical coupling between a plurality of core waveguides having different core numbers.

ここでは、光導波路コア514から入力された光が光導波路コア516A及び516Bへと出力される場合の動作を説明した。しかし、当業者であれば、光結合構造500が、光導波路コア516A及び516Bから入力された光が光導波路コア514へと出力されるように動作することもできることを理解するであろう。この場合、大きなフィールドを有する入射光がより小さなフィールドを有する光へと変換される。   Here, the operation when the light input from the optical waveguide core 514 is output to the optical waveguide cores 516A and 516B has been described. However, those skilled in the art will appreciate that the optical coupling structure 500 can also operate such that light input from the optical waveguide cores 516A and 516B is output to the optical waveguide core 514. In this case, incident light having a large field is converted into light having a smaller field.

図7は、本発明の実施例による光結合構造700を概略的に示す。光結合構造700は、図5に示す光結合構造500と同様の構成を有する。光結合構造700は、M個(Mは1以上の整数、図7においてはM=1)の第1の入出力ポート708及びN個(NはMより大きい整数、図7においてはN=2)の第2の入出力ポート710A及び710Bを有する多モード干渉計導波路コア704を備える。光結合構造700は、さらに、第1の入出力ポート708に接続されるテーパ光導波路コア718並びに第2の入出力ポート710A及び710Bに各々が接続されるテーパ光導波路コア712A及び712Bを備える。光結合構造700は、光導波路コア714と、光導波路コア716A及び716Bを含む複数コア導波路716とを有してもよい。テーパ光導波路コア712A及び712Bのうちの少なくとも1つは、一定の幅を有する1つ以上の部分を含むように構成されてもよい。例えば、図7に示すように、テーパ光導波路コア712A及び712Bは、それぞれ、一定の幅を有する(すなわち、幅が漸減/漸増しない)部分720A及び720Bを備えるように構成されてもよい。図示しないが、同様に、テーパ光導波路コア718も、一定の幅を有する1つ以上の部分を有してもよい。   FIG. 7 schematically illustrates an optical coupling structure 700 according to an embodiment of the present invention. The optical coupling structure 700 has the same configuration as the optical coupling structure 500 shown in FIG. The optical coupling structure 700 includes M (M is an integer of 1 or more, M = 1 in FIG. 7) first input / output ports 708 and N (N is an integer greater than M, N = 2 in FIG. 7). ) Multi-mode interferometer waveguide core 704 having second input / output ports 710A and 710B. The optical coupling structure 700 further includes a tapered optical waveguide core 718 connected to the first input / output port 708 and tapered optical waveguide cores 712A and 712B respectively connected to the second input / output ports 710A and 710B. The optical coupling structure 700 may include an optical waveguide core 714 and a multi-core waveguide 716 including optical waveguide cores 716A and 716B. At least one of the tapered optical waveguide cores 712A and 712B may be configured to include one or more portions having a constant width. For example, as shown in FIG. 7, tapered optical waveguide cores 712A and 712B may be configured to include portions 720A and 720B, respectively, that have a constant width (ie, the width does not gradually decrease / increase). Although not shown, similarly, the tapered optical waveguide core 718 may have one or more portions having a certain width.

図8は、本発明の実施例による光結合構造800を概略的に示す。既に述べたように、多モード干渉計導波路コア804は、M個(Mは1以上の整数)の第1の入出力ポート及びN個(NはMより大きい整数)の第2の入出力ポートを有する。図3に示す光結合構造300においてはM=1、N=2であったが、図8に示すように、例えば、M=1、N=3であってもよい。光結合構造800において、光導波路コア814に沿って伝搬して多モード干渉計導波路コア804の第1の入出力ポート808に入力された光は、第2の3つの入出力ポート810A、810B及び810Cへと分離して出力される。出力された光は、それぞれ、テーパ光導波路コア812A、812B及び812Cに沿って伝搬し、1つのモードフィールドを有する光へと結合された後、光導波路コア816A、816B及び816Cの組み合わせによる3コア導波路816に沿って、そのモードフィールドを保持しつつ導波される。   FIG. 8 schematically illustrates an optical coupling structure 800 according to an embodiment of the present invention. As described above, the multimode interferometer waveguide core 804 includes M (M is an integer equal to or greater than 1) first input / output ports and N (N is an integer greater than M) second input / output. Has a port. In the optical coupling structure 300 illustrated in FIG. 3, M = 1 and N = 2. However, as illustrated in FIG. 8, for example, M = 1 and N = 3 may be used. In the optical coupling structure 800, the light that propagates along the optical waveguide core 814 and is input to the first input / output port 808 of the multimode interferometer waveguide core 804 is input to the second three input / output ports 810A and 810B. And output to 810C. The output light propagates along the tapered optical waveguide cores 812A, 812B and 812C, respectively, and is combined into light having one mode field, and then the three cores by the combination of the optical waveguide cores 816A, 816B and 816C. The light is guided along the waveguide 816 while maintaining its mode field.

光導波路コア816A、816B及び816Cは、N個(N=3)のコアを有するNコア導波路、即ち、3コア導波路816のコアである。この3コア導波路816が単一モード導波路であるとき、多くの場合、光導波路コア816A、816B及び816Cのうちの任意の光導波路のコアの横幅は、光導波路コア816A、816B及び816Cのうちの任意の2つの光導波路のコアの間隔よりも小さい。これは、個々の導波路コアからの光フィールドの浸み出しが十分に大きくないと、フィールド間の結合が十分に生じず、単一モードにならないためである。   The optical waveguide cores 816A, 816B, and 816C are N-core waveguides having N (N = 3) cores, that is, cores of three-core waveguides 816. When the three-core waveguide 816 is a single-mode waveguide, in many cases, the lateral width of any of the optical waveguide cores 816A, 816B, and 816C is equal to that of the optical waveguide cores 816A, 816B, and 816C. It is smaller than the interval between the cores of any two of the optical waveguides. This is because, if the light field oozes out from the individual waveguide cores is not sufficiently large, coupling between the fields does not occur sufficiently, and a single mode is not obtained.

図9は、本発明の実施例による光結合構造900を概略的に示す。多モード干渉計導波路コア904は、M個(Mは1以上の整数)の第1の入出力ポート及びN個(NはMより大きい整数)の第2の入出力ポートを有する。図5に示す光結合構造500においてはM=1、N=2であったが、図9に示すように、例えば、M=2、N=4であってもよい。光結合構造900において、2コア導波路914の光導波路コア914A及び914Bに沿って導波された光は、テーパ光導波路コア918A及び918Bを伝搬する過程で2つの光フィールドに分割された後、多モード干渉計導波路コア904の第1の入出力ポート908A及び908Bに入力される。このように、2つ以上のコアを含む複数コア導波路のコアを多モード干渉計導波路コアに接続する場合は、テーパ導波路コアを介することによって、複数コア導波路と多モード干渉計導波路コアの入力側ポートの間で、光フィールドを連続的(すなわち断熱的)に変化させることができ、反射や散乱による光損失を低減することができる。入出力ポート908A及び908Bから複数コア導波路内に入射された光は、4つの第2の入出力ポート910A、910B、910C及び910Dへと分離して出力される。出力された光は、それぞれ、テーパ光導波路コア912A、912B、912C及び912Dに沿って伝搬し、1つのモードフィールドを有する光へと結合された後、光導波路コア916A、916B、916C及び916Dの組み合わせによる4コア導波路916によって、このモードフィールドを保持しつつ導波される。   FIG. 9 schematically illustrates an optical coupling structure 900 according to an embodiment of the present invention. The multimode interferometer waveguide core 904 has M (M is an integer equal to or greater than 1) first input / output ports and N (N is an integer greater than M) second input / output ports. In the optical coupling structure 500 shown in FIG. 5, M = 1 and N = 2, but as shown in FIG. 9, for example, M = 2 and N = 4 may be used. In the optical coupling structure 900, the light guided along the optical waveguide cores 914A and 914B of the two-core waveguide 914 is divided into two optical fields in the process of propagating through the tapered optical waveguide cores 918A and 918B. The signals are input to the first input / output ports 908A and 908B of the multimode interferometer waveguide core 904. As described above, when a core of a multi-core waveguide including two or more cores is connected to the multi-mode interferometer waveguide core, the multi-core waveguide and the multi-mode interferometer are guided through the tapered waveguide core. The light field can be continuously changed (that is, adiabatic) between the input ports of the waveguide core, and light loss due to reflection and scattering can be reduced. The light that enters the multi-core waveguide from the input / output ports 908A and 908B is separated into four second input / output ports 910A, 910B, 910C, and 910D and output. The output light propagates along the tapered optical waveguide cores 912A, 912B, 912C, and 912D, respectively, and is combined into light having one mode field, and then the optical waveguide cores 916A, 916B, 916C, and 916D The four-core waveguide 916 by combination is guided while maintaining this mode field.

2コア導波路914と4コア導波路916は共に単一モード導波路であるので、光導波路コア916A、916B、916C及び916Dの内の幅の最大値は、光導波路コア914A及び914Bの幅の内の最小値の2分の1以下であってもよい。   Since the two-core waveguide 914 and the four-core waveguide 916 are both single mode waveguides, the maximum width of the optical waveguide cores 916A, 916B, 916C, and 916D is equal to the width of the optical waveguide cores 914A and 914B. It may be less than half of the minimum value.

本発明の実施例の光結合構造を用いて光結合器(光結合構造)を構成することができる。図10は、図5に示すような本発明の実施例による光結合構造を光結合器1000として用いることによって構成される例示的な光モジュール1030の概略的な平面図を示す。光モジュール1030は、例えば、Si基板の上に二酸化珪素(SiO)層(埋め込み酸化膜と呼ばれる)と更にその上に表面Si層が積層された構造を有するSOI(Silicon on Insulator)基板上に形成されてもよい。この場合、多モード干渉計導波路コア1004、テーパ光導波路コア1018、1012A及び1012B、並びに光導波路コア1014は、表面Si層を加工して構成することができる。埋め込み酸化膜は下部クラッドとして働く。上部クラッドとして更に二酸化珪素や他の誘電体膜を積層してもよい。本実施例では、多モード干渉計導波路コア1004は、1つの第1の入出力ポートと第2の2つの入出力ポートを有している。第1の入出力ポートはテーパ光導波路コア1018に接続され、第2の入出力ポートはテーパ光導波路コア1012A及び1012Bに接続される。 An optical coupler (optical coupling structure) can be configured using the optical coupling structure of the embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a schematic plan view of an exemplary optical module 1030 constructed by using the optical coupling structure according to the embodiment of the present invention as shown in FIG. The optical module 1030 is formed on, for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate having a structure in which a silicon dioxide (SiO 2 ) layer (referred to as a buried oxide film) and a surface Si layer are stacked on the Si substrate. It may be formed. In this case, the multimode interferometer waveguide core 1004, the tapered optical waveguide cores 1018, 1012A and 1012B, and the optical waveguide core 1014 can be configured by processing the surface Si layer. The buried oxide film serves as a lower cladding. Silicon dioxide or another dielectric film may be further laminated as the upper clad. In this embodiment, the multimode interferometer waveguide core 1004 has a first input / output port and a second two input / output ports. The first input / output port is connected to the tapered optical waveguide core 1018, and the second input / output port is connected to the tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B.

本実施例において、第1の入出力ポートは入力として機能し、第2の入出力ポートは出力として機能する。光結合器1000は、光導波路コア1014に沿って導波された光を、異なるサイズのモードフィールドを有する光導波路1022へと結合する。光導波路1022はコア1024を有する。例えば、光導波路1022は断面が円形であるコア1024を有する光ファイバであってもよい。テーパ光導波路コア1012A及び1012Bは、その横幅の最も狭い端部に一様な端面を有してもよい。または、テーパ光導波路コア1012A及び1012Bに、モードフィールドを維持するための複数コア導波路(2コア導波路)のコアを更に接続し、そのコアに一様な端面を有してもよい。   In this embodiment, the first input / output port functions as an input, and the second input / output port functions as an output. The optical coupler 1000 couples the light guided along the optical waveguide core 1014 into the optical waveguide 1022 having different size mode fields. The optical waveguide 1022 has a core 1024. For example, the optical waveguide 1022 may be an optical fiber having a core 1024 having a circular cross section. The tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B may have a uniform end surface at the narrowest end portion. Alternatively, a core of a multi-core waveguide (two-core waveguide) for maintaining a mode field may be further connected to the tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B, and the core may have a uniform end surface.

光導波路コア1014に沿って導波された光は、テーパ光導波路コア1018を介して多モード干渉計導波路コア1004へ入力される。光は多モード干渉計導波路コア1004によって2つに分離され、テーパ光導波路コア1012A及び1012Bへ出力される。テーパ光導波路コア1012A及び1012Bは多モード干渉計導波路コア1004から離れる方向に沿って漸減する幅を有する。テーパ光導波路コア1012A及び1012Bに沿って伝搬する光は、光モジュール1030の端面に至る過程で1つのモードフィールドを有する光へと結合される。この結合された光のモードフィールドは、光導波路コア1014に沿って導波される光のモードフィールドよりも大きい。したがって、光結合器1000は、小さなモードフィールドを有する光を、より大きなモードフィールドを有する光へと変換して、幅の広いコア1024を有する光導波路1022へと結合することができる。   The light guided along the optical waveguide core 1014 is input to the multimode interferometer waveguide core 1004 via the tapered optical waveguide core 1018. The light is split into two by a multimode interferometer waveguide core 1004 and output to tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B. The tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B have a width that gradually decreases along the direction away from the multimode interferometer waveguide core 1004. Light propagating along the tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B is coupled into light having one mode field in the process of reaching the end face of the optical module 1030. The mode field of the combined light is larger than the mode field of the light guided along the optical waveguide core 1014. Thus, the optical coupler 1000 can convert light having a small mode field into light having a larger mode field and couple it into an optical waveguide 1022 having a wide core 1024.

テーパ光導波路コア1012A及び1012Bから出力される光は、縦または横に広がった楕円形のモードフィールドを有することがある。この場合、図10に示すように、レンズ1020を用いることによって、楕円形のモードフィールドの光を光導波路1022のコアに対応する円形のモードフィールドの光へと成形してもよい。勿論、テーパ光導波路コア1012A及び1012Bから出力される光のフィールドが光導波路1022のモードフィールドと同程度であれば、このようなレンズは不要であり、突き合わせ接続によって、低損失の光結合が可能である。   The light output from the tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B may have an elliptical mode field extending vertically or horizontally. In this case, as shown in FIG. 10, elliptical mode field light may be shaped into circular mode field light corresponding to the core of the optical waveguide 1022 by using a lens 1020. Of course, if the field of light output from the tapered optical waveguide cores 1012A and 1012B is comparable to the mode field of the optical waveguide 1022, such a lens is unnecessary, and low-loss optical coupling is possible by butt connection. It is.

図11は、図5に示すような本発明の実施例による光結合構造を光結合器1100として用いることによって構成される例示的な光モジュール1130の概略的な平面図を示す。光モジュール1130は、例えば、SOI基板上に形成されてもよい。この場合、多モード干渉計導波路コア1104、テーパ光導波路コア1118、1112A及び1112B並びに光導波路コア1114は、SOI基板上の表面Si層を加工することによって構成することができる。   FIG. 11 shows a schematic plan view of an exemplary optical module 1130 constructed by using the optical coupling structure according to the embodiment of the present invention as shown in FIG. 5 as the optical coupler 1100. The optical module 1130 may be formed on an SOI substrate, for example. In this case, the multimode interferometer waveguide core 1104, the tapered optical waveguide cores 1118, 1112A and 1112B, and the optical waveguide core 1114 can be formed by processing the surface Si layer on the SOI substrate.

本実施例において、光モジュール1130上に光源1126が実装される。図11の例において光源1126は半導体レーザであり、活性領域1128を有する。また、テーパ光導波路コア1112A及び1112Bは、その横幅の最も狭い端部に一様な端面を有する。この場合、光源1126はこれらの端面に突き当てられて配置されることによって、光源1126が当該端面に光結合されてもよい。あるいは、テーパ光導波路コア1112A及び1112Bに、モードフィールドを維持するための複数コア導波路(2コア導波路)のコアを更に接続し、そのコアに一様な端面を有してもよい。光モジュール1130において、多モード干渉計導波路コア1104は1つの第1の入出力ポート及び2つの第2の入出力ポートを有し、第1の入出力ポートは出力として機能し、第2の入出力ポートは入力として機能する。光結合器1100は、半導体レーザ1126の活性領域1128から出力される光のフィールドを光導波路コア1114に沿って導波されるのに適したフィールドに変換する。   In this embodiment, a light source 1126 is mounted on the optical module 1130. In the example of FIG. 11, the light source 1126 is a semiconductor laser and has an active region 1128. Further, the tapered optical waveguide cores 1112A and 1112B have uniform end surfaces at the narrowest end portions thereof. In this case, the light source 1126 may be optically coupled to the end surfaces by being disposed so as to abut against these end surfaces. Alternatively, a plurality of core waveguides (two-core waveguides) for maintaining the mode field may be further connected to the tapered optical waveguide cores 1112A and 1112B, and the cores may have uniform end faces. In the optical module 1130, the multimode interferometer waveguide core 1104 has one first input / output port and two second input / output ports, and the first input / output port functions as an output, The input / output port functions as an input. The optical coupler 1100 converts the field of light output from the active region 1128 of the semiconductor laser 1126 into a field suitable for being guided along the optical waveguide core 1114.

半導体レーザ1126から出力された光は、テーパ光導波路コア1112A及び1112Bの最も横幅の狭い端部に接続される複数コア導波路(2コア導波路)に入力される。図11に示すように、この複数コア導波路の長さはゼロ、即ち、この複数コア導波路が無くてもよいが、有限の長さがあれば、加工精度の関係で端面位置が多少変動しても、安定した端面形状を得ることができる。テーパ光導波路コア1112A及び1112Bの狭い方の端部に入力された光は、広い方の端部に向かって伝搬するにつれて、別個のモードフィールドを有する2つの光へと分離される。これらの光は多モード干渉計導波路コア1104の2つの第2の入出力ポートにそれぞれ入力され、多モード干渉計導波路コア1104によって1つの光に結合され、第1の入出力ポートからテーパ光導波路コア1118へと出力される。テーパ光導波路コア1118に入力された光のモードフィールドは、テーパ導波路コア1118を介して、光導波路コア1114に沿って導波されるのに適した大きさのモードフィールドを有する光へと変換される。   The light output from the semiconductor laser 1126 is input to a multi-core waveguide (two-core waveguide) connected to the narrowest ends of the tapered optical waveguide cores 1112A and 1112B. As shown in FIG. 11, the length of the multi-core waveguide is zero, that is, the multi-core waveguide may not be provided. However, if there is a finite length, the position of the end face varies slightly due to processing accuracy. Even so, a stable end face shape can be obtained. Light input to the narrow ends of the tapered optical waveguide cores 1112A and 1112B is split into two lights having separate mode fields as they propagate toward the wide ends. These lights are respectively input to two second input / output ports of the multimode interferometer waveguide core 1104, are combined into one light by the multimode interferometer waveguide core 1104, and are tapered from the first input / output port. It is output to the optical waveguide core 1118. A mode field of light input to the tapered optical waveguide core 1118 is converted into light having a mode field having a size suitable for being guided along the optical waveguide core 1114 via the tapered waveguide core 1118. Is done.

このように、光モジュール1130においては、本発明の実施例の光結合器1100を用いることによって、大きなモードフィールドを有する半導体レーザから出力される光を、小さなモードフィールドを有する、光導波路コア1114に沿って導波される光へと変換することができる。   As described above, in the optical module 1130, by using the optical coupler 1100 according to the embodiment of the present invention, the light output from the semiconductor laser having the large mode field is transmitted to the optical waveguide core 1114 having the small mode field. It can be converted into light guided along.

本発明は特定の実施例に関して記載されたが、本明細書に記載された実施例は、本発明を限定的に解釈することを意図したものではなく、本発明を例示的に説明することを意図したものである。本発明の範囲から逸脱することなく他の代替的な実施例を実施することが可能であることは当業者にとって明らかである。   Although the invention has been described with reference to particular embodiments, the embodiments described herein are not intended to be construed in a limiting sense, and are intended to illustrate the invention. It is intended. It will be apparent to those skilled in the art that other alternative embodiments can be practiced without departing from the scope of the invention.

100、200、300、500、700、800、900 光結合構造
102A、102B、102C、102D、102E、102F、202A、202C、202D、202E、202F、302A、302B、302C、302D、302E、302F、502A、502B、502C、502D、502E、502F 伝搬光のフィールド分布
104、106A、106B、206A、206B テーパ部
204 速度型方向性結合器
304、504、704、804、904、1004、1104 多モード干渉計導波路コア
308、508、708、808、908A、908B 第1の入出力ポート
310A、310B、510A、510B、710A、710B、810A、810B、810C、910A、910B、910C、910D 第2の入出力ポート
312A、312B、512A、512B、518、712A、712B、718、812A、812B、812C、912A、912B、912C、912D、918A、918B、1012A、1012B、1018、1112A、1112B、1118 テーパ光導波路コア
314、316A、316B、514、516A、516B、714、716A、716B、814、816A、816B、816C、914A、914B、916A、916B、916C、916D、1014、1114 光導波路コア
316、516、716、816、914、916 複数コア導波路
720A、720B 一定の幅を有する部分
1000、1100 光結合器
1020 レンズ
1022 光導波路
1024 コア
1030、1130 光モジュール
1126 光源
1128 活性領域
100, 200, 300, 500, 700, 800, 900 Optical coupling structure 102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F, 202A, 202C, 202D, 202E, 202F, 302A, 302B, 302C, 302D, 302E, 302F, 502A, 502B, 502C, 502D, 502E, 502F Propagated light field distribution 104, 106A, 106B, 206A, 206B Taper 204 Speed type directional coupler 304, 504, 704, 804, 904, 1004, 1104 Multimode interference Waveguide core 308, 508, 708, 808, 908A, 908B First input / output port 310A, 310B, 510A, 510B, 710A, 710B, 810A, 810B, 810C, 910A, 910B, 910 910D Second input / output port 312A, 312B, 512A, 512B, 518, 712A, 712B, 718, 812A, 812B, 812C, 912A, 912B, 912C, 912D, 918A, 918B, 1012A, 1012B, 1018, 1112A, 1112B, 1118 Tapered optical waveguide core 314, 316A, 316B, 514, 516A, 516B, 714, 716A, 716B, 814, 816A, 816B, 816C, 914A, 914B, 916A, 916B, 916C, 916D, 914, 1114, 1114 Cores 316, 516, 716, 816, 914, 916 Multiple core waveguides 720A, 720B Parts having a constant width 1000, 1100 Optical coupler 1020 Lens 1022 Optical waveguide 1024 A 1030, 1130 Optical module 1126 Light source 1128 Active region

Claims (11)

コア数の異なる導波路を光結合するコア数変換型の光結合構造であって、
M個(Mは1以上の整数)のコアを備えるMコア導波路及びN個(NはMより大きい整数)のコアを備えるNコア導波路であって、前記Nコア導波路のN個のコアのそれぞれの横幅の内の最大値は、前記Mコア導波路のM個のコアのそれぞれの横幅の内の最小値のN分のM倍以下である、Mコア導波路及びNコア導波路と、
前記Mコア導波路とNコア導波路との間に配置される少なくともM個とN個の入出力ポートを有する多モード干渉計導波路コアであって、前記Mコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのM個の入出力ポートに接続され、前記Nコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのN個の入出力ポートに接続される、多モード干渉計導波路コアと、
前記Nコア導波路のそれぞれのコアと、それらのコアが接続される前記多モード干渉計導波路コアのそれぞれの入出力ポートとの間に配置される、前記Nコア導波路に向かって幅が漸減するテーパ導波路コアであって、前記テーパ導波路コアのそれぞれの中心軸の間隔は、隣り合うもの同士の間で、一定であるか、または多モード干渉計導波路から離れるにつれて漸増あるいは漸減する、テーパ導波路コアと
を備えることを特徴とする、光結合構造。
A core number conversion type optical coupling structure that optically couples waveguides having different core numbers,
An M core waveguide having M cores (M is an integer equal to or greater than 1) and an N core waveguide having N cores (N is an integer greater than M), The maximum value of the lateral widths of the cores is equal to or less than M times N times the minimum value of the lateral widths of the M cores of the M core waveguide, and the M core waveguide and the N core waveguide. When,
A multimode interferometer waveguide core having at least M and N input / output ports disposed between the M core waveguide and the N core waveguide, wherein each core of the M core waveguide includes: The multimode interferometer waveguide core is connected to M input / output ports, and each core of the N core waveguide is connected to N input / output ports of the multimode interferometer waveguide core. A mode interferometer waveguide core;
A width toward the N-core waveguide is arranged between each core of the N-core waveguide and each input / output port of the multimode interferometer waveguide core to which the cores are connected. The taper waveguide core gradually decreases, and the interval between the central axes of the taper waveguide cores is constant between adjacent ones, or increases or decreases gradually as the distance from the multimode interferometer waveguide increases. An optical coupling structure comprising: a tapered waveguide core.
前記テーパ光導波路のうちの少なくとも1つは一定の幅を有する1つ以上の部分を含むことを特徴とする請求項1に記載の光結合構造。   The optical coupling structure according to claim 1, wherein at least one of the tapered optical waveguides includes one or more portions having a constant width. 前記多モード干渉計導波路コアの導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有することを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の光結合構造。   3. The optical coupling structure according to claim 1, wherein the optical coupling structure has an axisymmetric structure with respect to a central axis in a waveguide direction of the multimode interferometer waveguide core. 前記Mは1であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光結合構造。   The optical coupling structure according to claim 1, wherein M is 1. 5. 前記Nは2であることを特徴とする請求項4に記載の光結合構造。   The optical coupling structure according to claim 4, wherein N is two. 前記Nコア導波路のN個のそれぞれのコアの横幅は全て、前記N個のコアの任意の2つの間隔よりも小さいことを特徴とする、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光結合構造。   The width of each of the N cores of the N core waveguide is all smaller than any two spacings of the N cores, according to any one of claims 1-5. Optical coupling structure. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光結合構造を含む光結合器であって、前記Mコア導波路が端面を備えることを特徴とする、光結合器。   The optical coupler including the optical coupling structure according to claim 1, wherein the M core waveguide includes an end face. 前記Mコア導波路の長さがゼロであることを特徴とする、請求項7に記載の光結合器。   The optical coupler according to claim 7, wherein the length of the M core waveguide is zero. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光結合構造を含む光結合器であって、前記Nコア導波路が端面を備えることを特徴とする、光結合器。   The optical coupler including the optical coupling structure according to claim 1, wherein the N core waveguide includes an end face. 前記Nコア導波路の長さがゼロであることを特徴とする、請求項9に記載の光結合器。   The optical coupler according to claim 9, wherein the length of the N-core waveguide is zero. 請求項7乃至10に記載の光結合器と、
光源と
を備え、前記光結合器の前記端面に前記光源が光結合されることを特徴とする光モジュール。
An optical coupler according to claim 7 or 10,
An optical module comprising: a light source; and the light source is optically coupled to the end face of the optical coupler.
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